Güneş panellerinin daha fazla elektrik üretmesini sağlayabilecek yeni bir yöntem, İspanya'daki bilim insanlarının çalışmasıyla laboratuvar ortamında test edildi. Barselona'daki Fotonik Bilimler Enstitüsü (ICFO) araştırmacıları, güneş pillerinden kaçan ışığı kontrol altına alarak enerji kaybını azaltmanın bir yolunu buldu. İlk deneylerde verimlilikte küçük artışlar elde edilirken, yöntemin teorik olarak yüzde 43'e yaklaşan dönüşüm oranlarının önünü açabileceği belirtiliyor.
Geleneksel güneş pilleri, üzerlerine düşen güneş ışığının yalnızca bir bölümünü elektriğe dönüştürebiliyor. Enerjinin önemli bir kısmı ısıya dönüşürken bir bölümü de ışık kaybı nedeniyle kullanılamıyor. Ayrıca bazı fotonların enerjisi, yarı iletken malzemedeki elektronları harekete geçirmek için yetersiz kalıyor.
Bu kayıplar, güneş enerjisi araştırmalarındaki en önemli fiziksel kısıtlamalardan biri olan Shockley-Queisser sınırının temelini oluşturuyor. Söz konusu teorik sınır, standart tek eklemli güneş pillerinin verimliliğinin yaklaşık yüzde 33 seviyesini geçemeyeceği demek. ICFO ekibinin geliştirdiği yöntem ise özellikle ışık kaybını azaltarak bu sınırın ötesine geçmenin yollarını araştırıyor.
Gümüş elektrotla ışık kaybını azaltma
Güneş ışığı bir güneş piline ulaştığında, fotonlar yarı iletken malzemedeki elektronları harekete geçiriyor. Serbest kalan elektronlar toplanarak elektrik akımı oluşturuluyor. Ancak elektronların tamamı bu süreçte yakalanamıyor. Bazıları yeniden birleşerek enerjilerini foton şeklinde dışarı yayıyor. Ortaya çıkan zayıf kızılötesi ışıma da hücrenin enerji kaybetmesine neden oluyor.
Araştırmacılar, bu kaybı azaltmak için güneş pilinin ön yüzeyindeki şeffaf elektrodu yeniden tasarladı. Geleneksel elektrot malzemesi yerine hem elektrik iletebilen hem de ışığın geçişine izin veren son derece ince bir gümüş tabakası kullanıldı. Bu tabakanın önemli özelliği, kısmen ayna gibi davranması. Yeni elektrot, hücre içinde oluşan ışığın dışarı kaçabileceği açıları sınırlandırıyor. Böylece fotonların yayılımı daha kontrollü hale geliyor ve enerji dönüşüm verimliliğinde artış sağlanıyor.
Yüzde 43 verimlilik mümkün mü?
Çalışmanın başyazarı Dr. Francisco Bernal Texca, elde ettikleri sonuçların Shockley-Queisser sınırını aşmak için yeni araştırma yolları açtığını belirtiyor. Bununla birlikte laboratuvar deneylerinde henüz yüzde 43 gibi yüksek bir verimlilik değerine ulaşılmış değil. Şimdiye kadar gözlemlenen kazanımlar sınırlı düzeyde. Yüzde 43'e yaklaşan verimlilik ise yöntemin daha fazla geliştirilmesi durumunda teorik olarak ulaşılabileceği öngörülen bir değer.
Araştırmanın dikkat çeken yönlerinden biri de daha önce denenen bir yaklaşımı işler hale getirmesi. Geçmişte bilim insanları, güneş hücrelerinin çevresinde aynalardan oluşan bir yapı kullanarak ışık kaybını sınırlandırmayı denemişti. Ancak bu yöntemlerde voltaj ve akımın aynı anda artırılamaması önemli bir sorun oluşturuyordu.
ICFO araştırmacıları, ışığın kaçış açılarını elektrot üzerinden kontrol ederek bu yaklaşımı laboratuvar ortamında işlevsel hale getirmeyi başardı. Böylece ayrı bir ayna kutusuna dayanan önceki denemelerde karşılaşılan bazı sorunların aşılabileceği gösterildi.
Güneş pillerinde verimlilik yarışı sürüyor
Güneş enerjisinden daha fazla elektrik elde etmeye yönelik çalışmalar yalnızca ışık kayıplarını azaltmakla sınırlı değil. Araştırmacılar, ısıya dönüşen enerjiyi azaltmak ve farklı enerjilere sahip fotonlardan daha iyi yararlanmak için de yeni teknolojiler geliştiriyor.
Bu alandaki çalışmalardan biri Çinli güneş paneli üreticisi Longi'ye ait. Şirket, geleneksel silikon hücrelerin üzerine perovskit adı verilen kristal yapılı bir malzeme ekleyerek yüzde 35,5 verimlilik oranına ulaştığını ve yeni bir rekor kırdığını duyurdu. Longi'nin yaklaşımı, ICFO'nun üzerinde çalıştığı yöntemden farklı bir teknolojiye dayalı. Silikon ve perovskit katmanlarının birlikte kullanılması, güneş ışığının farklı bölümlerinden daha fazla enerji elde edilmesini hedefliyor.
Bir başka araştırma ise Japonya'daki Kyushu Üniversitesi ile Almanya'daki Johannes Gutenberg Mainz Üniversitesi tarafından yürütülüyor. Bilim insanları, tekil bölünme olarak bilinen yöntemle yüksek enerjili fotonların enerjisinden yararlanarak iki ayrı uyarılma oluşturmayı ve böylece daha fazla elektronun elektrik üretimine katkıda bulunmasını amaçlıyor.
Bu çalışmaların ortak hedefi, güneş panellerinin kapladığı alanı artırmadan daha fazla elektrik üretebilmek. Ancak laboratuvar ortamında elde edilen sonuçların ticari panellere aktarılması için teknolojilerin daha fazla geliştirilmesi gerekiyor. Başarılı olmaları halinde bu yöntemler, güneş enerjisinden elde edilen elektrik miktarını artırarak fosil yakıtlara duyulan ihtiyacın azaltılmasına katkı sağlayabilir.